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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abschirmen eines Magnetfelds, eine Sensoranordnung mit einer Vorrichtung zum Abschirmen eines Magnetfelds sowie ein Verfahren zur Montage einer Sensoranordnung.
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Stand der Technik
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Eine Sensoranordnung, bspw. ein Drehwinkelsensor oder ein Drehmomentsensor, zum Erfassen einer Drehbewegung einer Welle kann mindestens ein Magnetelement erfassen, das ein Magnetfeld erzeugt, dessen Änderung auf Grundlage einer Drehung erfasst wird, woraus wiederum der Drehwinkel oder das Drehmoment bestimmt werden kann.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 031 086 A1 betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Differenzwinkels mit mindestens einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement, mit dem eine Magnetfeldinformation eines Magnetkreises, bestehend aus einem Magnetpolrad und ferromagnetischen Flugsringen mit Zähnen, auswertbar ist. Dabei verlaufen die Zähne in radialer Richtung zum radialen Abgriff der Magnetfeldinformation des Magnetpolrads.
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Eine Sensoranordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung sind aus der Druckschrift
DE 10 2007 028 483 A1 bekannt. Die Sensoranordnung weist zumindest ein Magnetfluss-Sammelelement auf, über das der Magnetfluss eines Magnetkreises einem Sensorelement zuführbar ist. Das Magnetfluss-Sammelelement besteht aus zumindest zwei sich in einem Überlappungsbereich zumindest teilweise überlappenden Teilen, wobei die beiden Teile durch eine Umspritzung zumindest teilweise umgeben und in bestimmter Position zueinander gehalten sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden eine Vorrichtung, eine Sensoranordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Abschirmung für ein Magnetelement, das als Permanentmagnet ausgebildet ist, bereitgestellt werden, wobei das abgeschirmte Magnetfeld von einem Hallschalter oder Hallsensor als Komponente einer Sensoranordnung erfasst werden kann.
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Dabei ist es möglich, ein Magnetfeld des Permanentmagneten bspw. für Schaltzwecke der Sensoranordnung abzuschirmen und/oder zu konzentrieren. Somit wird ein räumlich definiertes Magnetfeld des Permanentmagneten bereitgestellt, das bspw. von einem magnetfeldsensitiven Sensorelement, das bspw. als Hallsensor ausgebildet sein kann, eindeutig erfasst werden kann. Somit kann ein breites Streufeld des Permanentmagneten, das evtl. andere in der Nähe befindliche, ebenfalls magnetfeldsensitive Elemente stören könnte, vermieden werden.
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Durch die mit der Vorrichtung bereitgestellte Schirmung wird das Magnetfeld für das magnetfeldsensitive Sensorelement, das in der Sensoranordnung auch als Schaltelement dient, konzentriert. Außerdem ist der derart abgeschirmte Permanentmagnet nunmehr einfacher zu montieren, da nun nicht mehr der Permanentmagnet selbst sondern das üblicherweise topfförmige Abschirmmodul, in dem der Permanentmagnet angeordnet ist, zu montieren ist.
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Das topfförmige Abschirmmodul zur Bereitstellung der Schirmung besteht üblicherweise aus ferromagnetischem Material. Es sind auch andere magnetfeldabschirmende Materialien, bspw. Metalle, als Materialien denkbar, die für Magnetfelder undurchlässig sind. Demnach wird mit dem Abschirmmodul für den Permanentmagneten ein in einer Raumrichtung teilweise geöffneter Faradayscher Käfig bereitgestellt. Eine Ausnehmung des Abschirmmoduls, in der der Permanentmagnet angeordnet ist, weist einen Boden, auf dem der Permanentmagnet bspw. über eine Klebe- oder Schweißverbindung zu befestigen ist, eine Innenwandung, die den Permanentmagneten umschließt, sowie einen Rand auf, der die Innenwandung der Ausnehmung nach außen und somit eine Öffnung des Abschirmmoduls begrenzt, wobei das Magnetfeld des Permanentmagneten lediglich durch diese Öffnung nach außen austreten kann.
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Üblicherweise ist der Boden der Ausnehmung kongruent zu einer Querschnittsfläche des Permanentmagneten ausgebildet. Falls der Permanentmagnet einen n-eckigen, üblicherweise viereckigen, Querschnitt aufweist, ist der Boden entsprechend n-eckig, üblicherweise viereckig, ausgebildet. Falls der Permanentmagnet im Querschnitt rund ist, ist der Boden der Ausnehmung entsprechend rund auszubilden. Es ist möglich, dass Abmessungen des Bodens der Ausnehmung sowie des Querschnitts des Permanentmagneten einander entsprechen, so dass der Permanentmagnet passförmig in die Ausnehmung passt. Es ist jedoch auch möglich, dass zumindest eine Länge des Querschnitts des Permanentmagneten etwas kleiner als eine entsprechende Länge des Bodens der Ausnehmung ist, so dass zwischen dem Permanentmagneten und der Innenwandung, sofern der Permanentmagnet in der Ausnehmung angeordnet ist, zumindest bereichsweise ein Luftspalt vorhanden ist.
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Eine Höhe des Permanentmagneten ist in der Regel etwas geringer als eine Höhe der Innenwandung der Ausnehmung, so dass sich der in der Ausnehmung angeordnete Permanentmagnet unterhalb des Rands der Ausnehmung befindet. In Abhängigkeit eines Abstands des in der Ausnehmung eingesetzten Permanentmagneten von dem Rand und/oder in Abhängigkeit von dem Querschnitt des Permanentmagneten wird dessen Magnetfeld durch die Öffnung des Abschirmmoduls nach außen konzentriert sowie darüber hinaus abgeschirmt.
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Mindestens eine der genannten Längen des Querschnitts des Permanentmagneten und des Bodens der Ausnehmung und/oder die Höhe des Permanentmagneten und der Innenwandung der Ausnehmung weist bzw. weisen dieselbe Größenordnung auf. In möglicher Ausgestaltung kann der Rand der Ausnehmung mit einem Deckel, der eine Öffnung aufweist, abgeschlossen sein. Dabei ist der Deckel ebenfalls aus einem magnetfeld-abschirmenden Material. Das Magnetfeld des Permanentmagneten tritt in diesem Fall durch die Öffnung nach außen und wird durch die Öffnung räumlich konzentriert.
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Üblicherweise ist der Permanentmagnet in der Ausnehmung teilweise oder vollständig versenkt. Je stärker der Permanentmagnet in der Ausnehmung versenkt ist, desto größer ist die abschirmende sowie richtungsorientierende Wirkung des abschirmenden Abschirmmoduls auf das Magnetfeld. Zwar wird dadurch auch das Magnetfeld geschwächt, allerdings ist bei einer Anwendung der Vorrichtung in einer Sensoranordnung vorgesehen, ein möglichst konzentriertes und nicht zwangsläufig ein besonders starkes Magnetfeld bereitzustellen. Somit kann dieses Magnetfeld durch das magnetfeldsensitive Sensorelement der Sensoranordnung räumlich genau erfasst werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, die zum Bestimmen eines Drehwinkels ausgebildet ist, kann bspw. auch ein Drehmoment erfasst werden. Bei einem Einsatz der Sensoranordnung in einer Lenkungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, kann mit dieser bspw. ein von einem Fahrer ausgeübtes Lenkmoment erfasst werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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2 zeigt in schematischer Darstellung die Vorrichtung aus 1 mit einem Verlauf einer Feldstärke eines Magnetfelds im Vergleich zu einem Verlauf einer Feldstärke eines Magnetfelds einer Anordnung aus dem Stand der Technik.
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3 zeigt weitere drei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung.
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4 zeigt eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus verschiedenen Perspektiven in schematischer Darstellung.
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5 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zum Messen eines Drehmoments.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
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Die in 1 schematisch dargestellte erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 umfasst ein hier topfförmiges Abschirmmodul 4, das eine Ausnehmung 6 aufweist, in der ein Permanentmagnet 8 angeordnet ist. Dabei umfasst diese Ausnehmung 6 einen Boden 10, eine Innenwandung 12, die den Permanentmagneten 8 umschließt, sowie einen Rand 14, der eine Öffnung der Ausnehmung 6 nach außen umschließt. Durch diese Öffnung tritt ein Magnetfeld 16 des Permanentmagneten 8 nach außen und kann von einem magnetfeldsensitiven Sensorelement 18, das hier als Hallsensor ausgebildet ist, erfasst werden.
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Es ist hier weiterhin vorgesehen, dass eine Höhe der Innenwandung 12 größer als eine Höhe des Permanentmagneten 8 ist, wobei sich beide genannten Größen in derselben Größenordnung befinden. Dasselbe gilt für eine Querschnittsfläche des Bodens 10 sowie für eine Querschnittsfläche des Permanentmagneten 8, wobei eine hier in 1 gezeigte Länge der Querschnittsfläche des Bodens 10 größer als eine Länge des Querschnittsfläche des Permanentmagneten 8 ist.
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2a zeigt dieselbe Vorrichtung 2 wie in 1 und zusätzlich ein Diagramm mit einer Raumachse 20 als Abszisse sowie mit einer Ordinate 22 entlang der eine Feldstärke 24 des Magnetfelds 16 des Permanentmagneten 8, der in dem Abschirmmodul 4 angeordnet ist, aufgetragen ist. Zum Vergleich zeigt 2b denselben Permanentmagneten 8 ohne Abschirmung durch ein Abschirmmodul sowie ein resultierendes Magnetfeld 26. In dem zugehörigen Diagramm ist ebenfalls ein räumlicher Verlauf der Feldstärke 28 dieses nicht-abgeschirmten Magnetfelds 26 dargestellt, wobei dieses Magnetfeld 26 ebenfalls von einem magnetfeldsensitiven Sensorelement 18 erfasst wird.
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Aufgrund der Anordnung des Permanentmagneten 8 in der Ausnehmung 6 des magnetfeld-abschirmenden Abschirmmoduls 4 ergibt sich, dass die Feldstärke 24 des abgeschirmten Permanentmagneten 8 in einem Außenbereich einer stärkeren räumlichen Änderung 30 unterworfen ist als es für eine Änderung 32 der Feldstärke 28 des Magnetfelds 26 des nicht-abgeschirmten Permanentmagneten 8 der Fall ist. Somit wird das Magnetfeld 16 des Permanentmagneten 8, der in der Ausnehmung 6 des Abschirmmoduls 4 angeordnet ist, räumlich stärker konzentriert als das nicht-abgeschirmte Magnetfeld 26 des Permanentmagneten 8.
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Die in 3 schematisch dargestellte zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 34 ist zur Aufnahme eines im Querschnitt quadratischen Permanentmagneten 36 ausgebildet und umfasst ein Abschirmmodul 38 mit einer im Querschnitt ebenfalls quadratischen Ausnehmung 40, in der der Permanentmagnet 36 angeordnet ist. Dabei befindet sich hier zwischen einer Innenwandung der Ausnehmung 40 und einer Außenwandung des Permanentmagneten 36 ein Luftspalt.
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Die in 3 schematisch dargestellte dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 42 umfasst ein Abschirmmodul 44 mit einer im Querschnitt kreisrunden Ausnehmung 46, in der ein im Querschnitt ebenfalls kreisrunder Permanentmagnet 48 angeordnet ist, wobei sich zwischen einer Außenwandung des Permanentmagneten 48 und einer Innenwandung der Ausnehmung 46 ein Luftspalt befindet.
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Die in 3 dargestellte vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 50 umfasst ein Abschirmmodul 52 mit einer im Querschnitt rechteckigen Ausnehmung 54, in der ein im Querschnitt ebenfalls rechteckiger Permanentmagnet 56 angeordnet ist. Außerdem befindet sich auch hier zwischen einer Außenwandung des Permanentmagneten 56 und einer Innenwandung der Ausnehmung 54 ein Luftspalt.
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In der Regel ist eine Ausnehmung 6, 40, 46, 54, üblicherweise ein Boden 10 einer Ausnehmung 6, 40, 46, 54, jeder der bislang vorgestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2, 34, 42, 50 im Querschnitt kongruent zu dem Querschnitt des in der Ausnehmung 6, 40, 46, 54 jeweils aufzunehmenden Permanentmagneten 8, 36, 48, 56.
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4 zeigt in schematischer Darstellung eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 60 sowie Details dieser Vorrichtung 60 aus unterschiedlichen Perspektiven. Dabei ist diese Vorrichtung 60 als Teil einer Sensoranordnung zum Messen mindestens eines Drehwinkels einer Welle 62 ausgebildet und umfasst eine die Welle 62 koaxial umschließende Hülse 64, die hier aus Kunststoff besteht und an der Welle 62 befestigt ist. An dieser Hülse 64 ist eine Aufnahmeöffnung 66 angeordnet, in der ein Abschirmmodul 68 angeordnet ist, das wiederum eine topfförmige Ausnehmung 70 umfasst, an deren Boden ein Permanentmagnet 72 angeordnet ist.
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Sämtliche vorgestellte Vorrichtungen 2, 34, 42, 50, 60 zum Abschirmen eines Magnetfelds eines Permanentmagneten 8, 36, 48, 56, 72, umfassen jeweils ein Abschirmmodul 4, 38, 44, 52, 68 mit einer Ausnehmung 6, 40, 46, 54, 70, in der der Permanentmagnet 8, 36, 48, 56, 72 zumindest teilweise anzuordnen ist. Jede Vorrichtung 2, 34, 42, 50, 60 ist zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle 62 geeignet. Dabei ist jede Vorrichtung 2, 34, 42, 50, 60 als Komponente einer Sensoranordnung ausgebildet und/oder vorgesehen.
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Mit dieser Vorrichtung 2, 34, 42, 50, 60 wird ein Magnetfeld 16 des Permanentmagneten 8, 36, 48, 56, 72 in der Regel in einer Raumrichtung konzentriert und in den anderen Raumrichtungen abgeschirmt.
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Die Ausnehmung 6, 40, 46, 54, 70 des Abschirmmoduls 4, 38, 44, 52, 68 ist topfförmig als Kavität ausgebildet und weist einen Boden 10, eine Innenwandung 12 und eine Öffnung auf, wobei durch die Öffnung das Magnetfeld 16, das durch den Permanentmagneten 8, 36, 48, 56, 72 erzeugt wird, nach außen austritt. Abmessungen der Ausnehmung 6, 40, 46, 54, 70 sind mindestens genauso groß, in der Regel um einige Prozent größer als Abmessungen des darin aufgenommenen Permanentmagneten 8, 36, 48, 56, 72. Eine Höhe oder Tiefe der Ausnehmung 6, 40, 46, 54, 70 kann die Höhe des Permanentmagneten 8, 36, 48, 56, 72 um das doppelte oder dreifache, bis maximal fünffache übersteigen. In der Regel wird der Permanentmagnet 8, 36, 48, 56, 72 von der Innenwandung 12 der Ausnehmung 6, 40, 46, 54, 70 vollständig umschlossen.
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Das Abschirmmodul 4, 38, 44, 52, 68 ist hier aus ferromagnetischem Material. Üblicherweise ist das Abschirmmodul 4, 38, 44, 52, 68 aus einem magnetfeldabschirmenden Material.
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Die Vorrichtung 2, 34, 42, 50, 60 kann als Teil einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, bspw. zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle 62, ausgebildet sein.
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Bei einer Montage einer Sensoranordnung wird die Sensoranordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2, 34, 42, 50, 60 ausgestattet, wobei die Vorrichtung 2, 34, 42, 50, 60 das Abschirmmodul 4, 38, 44, 52, 68 mit der Ausnehmung 6, 40, 46, 54, 70 aufweist, in der der Permanentmagnet 8, 36, 48, 56, 72 zumindest teilweise angeordnet und/oder aufgenommen wird.
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Dabei wird zunächst der Permanentmagnet 8, 36, 48, 56, 72 zumindest teilweise in der Ausnehmung 6, 40, 46, 54, 70 des Abschirmmoduls 4, 38, 44, 52, 68 angeordnet. Danach wird das Abschirmmodul 4, 38, 44, 52, 68 mit dem darin zumindest teilweise aufgenommenen Permanentmagneten 8, 36, 48, 56, 72 der Sensoranordnung hinzugefügt.
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Bei einer Sensoranordnung zum Ermitteln eines Drehwinkels einer Welle 62 wird das Abschirmmodul 68 in einer zu der Welle 62 koaxial angeordneten Hülse 64 angeordnet. Dies kann bedeuten, dass das Abschirmmodul 68 mit dem bereits aufgenommenen Permanentmagneten 72 in der Hülse 64 angeordnet wird. Dabei kann die Hülse 64 bereits an der Welle 62 angeordnet und/oder befestigt sein. Es ist auch möglich, die Hülse 64 mit dem angeordneten Abschirmmodul 68 und dem darin bereits aufgenommenen Permanentmagneten 72 an der Welle anzuordnen und/oder daran zu befestigen.
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5 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer Sensoranordnung 80 zum Messen eines Drehmoments mit einer Sensoreinheit 82, einem Hallelement 84, einem Permanentmagneten 86, einer sogenannte Magnetflusseinheit 88 mit sogenannten Messringen und einer Magneteinheit 90. Dabei ist der Permanentmagnet 86 in einer Ausnehmung 92 eines topfförmigen, magnetfeld-abschirmenden Abschirmmoduls 94 angeordnet und somit aufgenommen. Das Abschirmmodul 94 mit der Ausnehmung 92 und dem darin angeordneten Permanentmagenten 86 ist als sechste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 96 ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005031086 A1 [0003]
- DE 102007028483 A1 [0004]
